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精读浸塑、涂塑、喷塑、内衬塑管关联

    随着社会的发展和现代工业化进程的推进,民距离的管道运输涉及化工、冶炼、矿山、市政等各个领域,起着生命线的作用,是国民经济建设的一根大动脉。目前,石油、天然气等能源的民距离输送主要依靠管道实现;其次,城市地下管道也输送着生活用水和生活污水。然而,运送的这些介质大部分具有腐蚀性,而管道却是不耐腐蚀的钢质材料,随着时间的推移会逐渐对管道造成腐蚀,从而降低管道的使用寿命。除此之外,由于输送生活用水的钢质管道时间久了会生锈,还会对用水造成“二次污染”。为此,要求输送管道既要有良好的机械性能.又要有优异的耐腐蚀性。普通的碳素钢管具备良好的机械性能,却无法满足耐腐蚀要求;合金钢可以抗腐蚀但是大量使用会大幅增加成本;塑料材料具有良好的耐腐蚀性,但是机械性不佳,强度低、刚性差。结合上述材料的优缺点,衬塑管道应运而生。以普通碳素钢管为基础内衬化学性能稳定的塑料,使其不仅具有钢管良好的机械性能又具有塑料绝佳的耐腐蚀性,是一种运输有腐蚀性介质的理想管道。
    我们着重从浸塑、涂塑、喷塑和内衬塑管这4种常用衬塑方法的工作原理、成型特点及研究现状、发展趋势进行深入探讨,总结出适合大直径管道内壁衬塑的方法。

一、浸塑是一种塑料涂覆工艺,通过加热金属工件,使流化状态的塑料粉末遇热熔融后均匀附着在金属工件表面;或者加热浸塑液,再将金属工件放入浸塑液中,使浸塑液均匀包覆在工件表面形成有机薄膜,从而获得具有防腐、绝缘、耐酸碱等优良特性的钢塑复合产品。按照原材料状态的不同,浸塑成型可分为两种,液体浸塑和粉体浸塑;根据加热方式的不同又可分为热浸塑和冷浸塑两种[Pl
    总结了浸塑成型的特点:
    (1)加工工艺简单、成型周期短;
    (2)浸塑成型多采用自动化流水线,自动化程度高;
    (3)材料没有内应力或内应力较小,可采用多次浸塑技术制造;
    (4)一般用于加工小工件,加工大的材料无需大的设备与模具投资费用;
    (5)浸塑成型是将工件置于粉末流化床或浸塑液中一次成型,涂层表面不会出现熔合线,表面光滑美观,而且浸塑材料各个角度均匀受力,不会出现应力集中。

1、液体浸塑工艺中绝大部分采用热浸塑液,目前最典型、最常用的是聚氯乙烯糊树脂(EPVC)的浸塑成型。虽然EPVC浸塑材料己经被广泛应用,但由于工艺控制不当,经常存在着塑化不完全或过度塑化,导致EPVC材料性能下降等问题。塑化工艺控制不当不仅会影响材料的使用性能和寿命,还会影响人体健康、破坏环境。谢金刚[0研究发现,在EPVC的浸塑过程中,随着浸塑成型温度的增加及塑化时间的延民,塑化材料的凝胶度逐渐提高,在塑化完全时,凝胶度甚至会提高到100%。在浸塑成型温度为220 0C,浸塑时间为5  min时,EPVC塑化材料具有最佳的综合性能。
    总结了影响液体浸塑的工艺条件,包括:
    (1)被涂物的预热温度。预热温度与塑料涂层厚度成正比关系,预热温度越高,涂料熔融量越多,附着于被涂物表面的涂料量也越多,固化后涂层也更厚;
    (2)浸涂时间。浸涂时间与塑料涂层厚度成正比关系,浸入时间越民粘附的涂料量就越多,涂层也就越厚;
    (3)浸入角度。要保持零角度浸入,否则就会导致先浸入浸塑液的一端接触时间比后浸入的一端时间民,导致涂层厚薄不均匀;
    (4)被涂物浸入浸塑液的速度;浸入速度太快时会使浸塑层产生气泡,造成孔洞缺陷。太慢时,由于被浸物在整个浸塑过程中温度逐渐下降,这使得先浸入的部分温度高,接触浸塑液的时间民,涂层厚;后浸入的部分温度低,接触浸塑液的时间短,涂层薄,从而影响塑料涂层的外观质量;
    (5)被涂物离开浸塑液的速度。离开浸塑液的速度太快时,会产生流挂、挂点等缺陷;太慢时,由于被涂物自身温度不同以及与浸塑液接触的时间不一样,会使得浸塑层厚薄不均匀,严重影响衬塑层的外观质量;
    (6)烘烤塑化条件。烘烤塑化条件主要包括烘烤温度与时间,被涂物在浸入浸塑液后所得的热塑性塑料涂膜必须在规定的时间和温度下才能聚合、流平及交联固化,得到外观与机械性能均优的涂膜。若温度和时间达不到规定的要求,会导致涂膜塑化不完全,降低其机械性能,使涂膜附着力、强度、抗拉强度降低,耐腐蚀性变差并造成外观缺陷。相反,若高于规定的温度与时间时,塑料涂膜易发生烧焦变黑、色泽较暗、不鲜亮、机械性能变差等不良现象;
   (7)室内温度。冬季气温低,预热温度与室内温度温差大,降温快;夏季的气候温度高,预热温度与室内温度温差小,降温慢,这就使得夏季的涂层厚度比冬季的涂层厚度要厚。对此,可以在冬季提高室内温度,或者提高预热温度来平衡温差造成的影响。

2、粉体浸塑是利用了粉体浸塑树脂受热熔化,冷却后又固化成膜的特性,是物理性熔融塑化成膜的过程。目前用的最多的原料包括聚乙烯(PE),聚氯乙烯(PVC),聚四氯乙烯[[3]。粉体浸塑过程是将粉末浸塑树脂置于底部布置有孔的容器中,由鼓风机从容器下部送入经过处理的压缩空气,使粉体浸塑树脂悬浮形成均匀分布的细散粉末。当预热温度达到粉末浸塑树脂熔点的工件进入到粉末流化床的时候,悬浮的浸塑粉末树脂均匀粘附在工件表面并熔化,最后冷却固化成形。

3、无论是液体浸塑还是粉体浸塑,在浸塑前都必须进行前处理,包括喷砂、除锈、除油等。对于局部浸塑工件采用磷化、发蓝或电镀处理。一方面是为了提高浸塑粉末的附着力,另一方面是防止污染浸塑材料,尤其是在液体浸塑中。对于大直径管道内壁的衬塑,浸塑并不是最理想的方法,首先是因为仅是管道内壁的局部衬塑,衬塑部位比较有针对性;其次,浸塑之前需要对管道表面包括内壁和外壁进行前处理,这不仅增加了衬塑的工作量也增加了衬塑成本。最后,由于管道体积很大,必须用更大的浸塑槽才能完成一次浸塑成型。

二、涂塑

    钢管涂塑是通过特殊的工艺方法及专门的工具将塑料粉末均匀地涂覆于管道的内壁或外壁,再通过烘箱热熔流平固化,在管道表面形成致密、平整、光滑的塑料保护层。涂塑层一次喷涂厚度可以达到500625 ,m,表面光洁度可以达到0.3一1m}R},阻流系数小,有良好的防结垢能力。在研究中发现,与相同直径的钢管相比,涂塑钢管的输送流体量可增加7%}12%,降低输送动力消耗1S%,经济效益显著。目前被广泛使用且具有良好性能的粉末涂层有两种:聚乙烯(PE)粉末涂层和环氧(EP)粉末涂层。

    聚乙烯作为合成树脂中最安全的无毒性树脂,因其卫生、安全的的特点,广泛用于食品行业。用聚乙烯作为钢管的涂层材料,不仅可以耐腐蚀还可以防止输送物质被二次污染。而聚氯乙烯涂层具有很好的化学稳定性和很强的耐酸性,可以有效防止无水氢氟酸、饱和食盐水的侵蚀。环氧粉末涂层同样具有良好的化学稳定性,能有效抵抗氯离子、氧分子的侵蚀,故常用于海水管道、原油管道等的涂塑材料。

    但是,由于这两种材料的设备投入大、施工要求高、工艺难度大、品质不易控制,使得涂塑钢管在推广和应用上受到了严重的阻碍。又因为大直径钢管表面处理工作量大,采用传统喷砂处理不仅需要的密闭空间大还会造成极大的污染;而且在涂塑加热过程消耗的热量多,能耗大,使得大直径涂塑钢管难以生产,仅能生产直径小于250 mm的涂塑钢管。为了突破大直径管道涂塑技术,国内专家做了相关方面的研究。苏州市产品质量监督检验所研制出了弹性体带锈防锈涂料和防腐性能良好的防护涂料。他们从材料入手,改变了涂塑温度,采用直接常温喷涂的方式,无需加热,大大降低了大直径管道涂塑的能耗。而且这项技术采用聚氨酷涂料作为底涂,降低了对管道表面处理的要求,不需要除锈除油就可以涂塑。这项技术不仅解决了大直径管道涂塑技术,而且施工方便,不需要表面处理和加热,节约了能源,减少了工作量,降低了生产成本。

总结了涂塑的特点:
    (1}涂料的调制不使用溶剂,不需要混合,不仅节省时间,还便于运输、贮存和使用;
    (2)固化时间短,便于实现快速喷涂,工作效率高;
    (3)多余的粉末涂料可以重新回收使用,材料的利用率达到100%,不会造成浪费;
    (4)涂膜的厚度由附着在表面的粉末层决定,故厚层涂膜也可以实现一次完成,且不会出现淌挂现象;
    (5)涂层表面光滑,摩擦系数小,阻流系数小,可以有效防止结垢,提高管道的输送效率。

    钢管涂装方式分为两种:内壁涂装和外壁涂装。肖会高等人描述了5种内壁涂装方式:井涂、无静电枪加民杆喷涂、无静电粉泵推拉杆喷涂、扣粉和真空吸涂;;4种外壁涂装方式:井涂、静电喷涂、流化床浸涂和瀑布淋涂。井涂方式是20世纪90年代引进的,首先需要在厂房挖出深井,并在井内布置流化板和流化布,塑料粉末在卷扬机的作用下翻滚流动,变成流化状态。由于钢管浸入流化井时,一端先进后出,另一端后进先出,这就导致先进后出的一端涂层厚,后进先出的一端涂层薄,且两端的涂层厚度最大竟相差300m,故目前大多数己经淘汰。无静电枪加民杆喷涂是通过民杆伸入到管道内部进行粉末喷涂,而静电枪加民杆喷涂就是在前者的基础上,利用静电发生器使管道壁带上静电,从而使塑料粉末吸附在管壁上。这种方式形成的涂层均匀、致密,是目前应用最广泛的涂装方式。无静电粉泵推杆式喷涂利用压缩空气使粉泵形成真空状态.流化箱内的粉末在负气压的作用下源源不断地流入粉泵,并通过喷枪喷出完成喷涂。但是这种方式由于喷枪深入管道内部,工作人员看不见喷枪的工作状态和喷粉效果,就会出现喷涂不均匀甚至漏喷.导致废品率增加。

3、喷塑

喷塑技术是利用火焰、等离子弧等为热源,将塑料粉体于极短时间内加热至熔融或半熔融状态,同时对材料粒子进行加速,撞击到基体表面,粒子在扁平化的同时快速冷却凝固沉积在内壁表面形成涂覆层的一种成型方法。经过不断地发展,根据热源的不同己经形成了火焰喷塑、等离子喷塑等一系列方法。

1、火焰喷塑是一种利用燃气(乙炔、液化石油气等)与助燃气(氧气、空气)燃烧产生的热量将塑料粉末加热至熔融或半熔融状态,并借助焰流及冷却喷射气流将熔融或半熔融状态的塑料微粒喷向经过预处理及预热的基体表面,从而形成连续、均匀、无孔隙的塑料涂层的表面处理工艺。火焰喷塑涂层不仅具有良好的化学稳定性和绝缘性,还具有优越的耐磨性和抗腐蚀性。由于相比于其他的衬塑方式成本更低,目前己经被广泛应用于汽车、船舶、钢铁、化工等领域。
    比较了火焰喷塑与其他粉末涂装方法,总结了火焰喷塑具有以下优点:

    (1)火焰喷塑的热源为燃气,价格低廉,成本低,而且装备简单便携,可以现场施工;
    (2)火焰喷塑的环境适应性好,对温度、相对湿度的要求低,故可以在高湿、低温等恶劣条件下施工;
    (3)火焰喷塑可以实现表面的局部强化、防护和修复,且可以在多种基体材料上涂覆;
    (4)对基体的影响小,不会破坏材料的组织结构。

倍;而PE+60%EMAA涂层的附着力比PE+25%EMAA涂层的附着力提高了20%}43%。北京度辰新材料股份有限公司采用化学交联法研究出了一种新型的交联型聚乙烯粉末,涂层附着力相比普通纯聚乙烯涂层有了很大的提高,而且使用温度也有了很大的提高,可在100℃的温度下民期使用。不仅如此,喷塑前对基体表面进行预处理对提高涂层的附着力也有很大的提高,而且预处理采用的工艺不同,提升效果也不同。研究发现,涂层在经过磷化和喷砂处理的表面比在经纯粹的人工除锈的表面附着力要提高很多。

    喷枪作为火焰喷塑的关键部件之一,喷枪中各通道气体的配比及流速对喷塑效果有很大的影响。由于塑料的熔点和分解温度极低,最高仅几百摄氏度,为了防止塑料粉末在火焰中过热分解,燃气用量不可过大。同时,这还可以节约成本,缩短焰民,提高沉积率。赵世纬[ps〕等人研究发现,在混合燃气中空气与乙炔的配比为1:1.11.2、流量分别为0.20.22 m3/h和0.220.26 m3/h ,乙炔压力为0.10.12 Mp。时,涂层成型质量最佳。

2、等离子喷塑是将塑料粉膜材料送入等离子体(射频放电)或等离子射流(直流电弧)中,使粉末材料迅速熔化或部分熔化,并在高速焰流中加速,在冲击力的作用下撞击到待加工材料表面产生塑性变形并粘附于工件表面形成涂层。

喷涂的特点:
    (1)由于等离子喷涂焰流速度极快,塑料粉末熔滴以极快的速度撞击在工件表面,使得塑料层的附着性好,结合强度高,可达6070 MPa,喷涂效率也更高;
    (2)涂层表面光滑,孔隙率低,可以控制在1%}10%左右,涂层厚度可以精确控制;
    (3)由于不直接对基体进行加热,故不会破坏基体的组织,对基体的热影响小;
    (4)采用惰性气体作为工作气体,所以涂层不易被氧化.含有的氧化物杂质较少。
    管道内壁的喷塑需要将喷枪伸入管道的内部,跟推杆式喷涂一样,工作人员看不见喷枪的工作状态和喷塑效果。其次,塑料粉末的熔点很低,极易熔化,而火焰喷塑和等离子喷塑的焰流温度高、速度快,不利于实时观测涂层的质量,很容易造成涂层过热而失效,增加废品率。

4、内衬塑管就是将挤出成型的塑管外表面涂上热熔型粘结剂并通入预先处理过的钢管,再对钢管加热,对塑管加压使塑管膨胀与钢管粘结,最后冷却定型的一种衬塑方法[19]
    热熔型的粘结剂在塑管生产时同步涂覆,且涂覆层厚度必须均匀,厚度控制在0.20.28 mm之间[[I9]。这也对生产的塑管、钢管表面提出了更高的要求。要求塑管、钢管表面必须光滑,且塑管的壁厚必须均匀,同一横截面壁厚的极限偏差不超过14%。对于焊管,焊缝残余高度不应大于0.05 mm。

    塑管一般采用聚乙烯(PEA、交联聚乙烯(PEX)、环氧树脂}EP}、硬聚氯乙烯(PVC-E) ,氯化聚氯乙烯}CPVC} ,聚丙烯(PP),ABS,PP-R等高分子材料。粘结剂主要为PE等高分子材料,不仅性能稳定,不会产生高温老化,而且与塑管和钢管有良好的粘结力,衬塑层结合强度高[2D]。
    内衬塑管的衬塑方法对设备的要求比较高,针对不同直径的管道,必须配套不同的挤出成型设备和加压设备,仅适用于大批量生产;而且对于大直径和小直径管道,这种方法容易造成各种的外观缺陷。

    在钢管内壁衬塑不仅使得钢管保留了自身本来的机械性能,还增加了塑料良好的抗腐蚀性和耐磨性,在输送有腐蚀性介质时具有无可比拟的优势。不仅如此,塑料管道更加环保,不会对输送介质造成二次污染,故可适用于城市用水输送管道。可以看出,衬塑管道在未来有很好的发展前景。通过比较上面几种衬塑方法的特点,得出了一种适用于管道内壁的衬塑方法:首先通过静电发生器使管道内壁带上静电,再将管道置于塑料粉末流化床中,使管道内壁均匀吸附上粉末,再通过感应加热线圈加热管道使粉末熔化、流平,形成光滑的涂层,最后冷却固化。这种方法结合了以上各种衬塑方法的优点以及管道内壁衬塑的需求,可以实现管道内壁的均匀衬塑。希望对管道内壁衬塑工艺的确定提供参考。